数据链中MSK信号正交调制方法研究*

周 帆，费顺超，冯永新

（沈阳理工大学信息科学与工程学院，沈阳 110159）

数据链中MSK信号正交调制方法研究*

周 帆，费顺超，冯永新

（沈阳理工大学信息科学与工程学院，沈阳 110159）

数据链具有较强的保密性和抗干扰能力，是美军对敌实施有效打击的重要手段之一。在深入分析MSK信号正交调制机理及可行性的基础上，选用一跳单脉冲数据链信号的有效驻留时间为仿真对象，对MSK信号的正交调制方法进行了仿真。仿真结果表明，采用基于正交模式的MSK信号调制方法，可高效、准确的生成MSK信号。

数据链，MSK信号，正交调制，仿真

0 引言

数据链作为军队指挥、控制与情报系统传输信息的工具和手段，是信息化战争中的一种重要通信方式。在数字化战场中，指挥中心、各级指挥所、各参战部队和武器平台通过数据链链接在一起，构成陆、海、空、天一体化的数据通信网络。从而为实现信息资源共享，为指挥员迅速、正确地决策提供整个战区统一、及时和准确的作战态势。

美国现役装备的新型数据链Link 16中就采用了MSK调制技术，该数据链采用J序列格式报文，是一种时分多址（TDMA）的具有跳扩/频抗干扰能力的数据通信链路，其终端为联合战术信息分发系统（JTIDS）。最小频移键控（MSK）调制是Link16具有保密、大容量、抗干扰等性能的原因之一，其具有包络恒定、相位连续、带宽窄、频谱主瓣能量集中、旁瓣滚降衰减快、频带利用率高等特点［1-2］。

1 MSK信号正交调制机理及分析

1.1 MSK信号正交调制机理

MSK信号既是一种FSK信号又是相位连续的FSK信号，属于CPFSK信号的一种特殊形式。其第K个码元对应的时域信号可用式（1）来表示。

其中，ωc=2πfc表示载波角频率；A为载波振幅；ak=±1表示第k位信息码；Ts表示码元宽度；φk为第k个符号的相位常数，它在（k-1）Ts≤t≤kTs中保持不变；θ（t）为附加相位函数，它等于MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位［3-4］。

进一步由式（1）可得式（2）：

MSK信号在时域上不存在间断点，其在第k-1个符号到第k个符号间隔的时间点上总的相位关系应该满足式（3）。

进一步，对式（3）进行化简可得式（4）。

设第一个符号的相位为零（即意味着φ0=0），则有φk=0或者φk=±π这时有sin（φk）=0，另外考虑到ak=±1得式（5）：

把式（5）代入式（2）可得式（6）：

令，Ik=cosφk，Qk=akcosφk可由式（6）得MSK信号的正交表达式如式（7）：

由式（7）可知，正交调制的关键是寻求Ik、Qk与ak、bk、pk及qk的关系。设ak的差分编码为bk，且考虑到Ik、Qk的取值只能为±1，则第k个符号和第k+1个符号可用式（8）来表示。

假设Ik=bk-1，Qk=bk，则有Ik+1=bk+1，Qk+1=bk，依此类推Ik+2=bk+1，Qk+2=bk+2，Ik+3=bk+3，Qk+3=bk+2，…，所以，将 bk经串并变换后每个码元的宽度变为了原来的两倍，还要将其中一路延时一个码元。它们间的具体关系可以通过表1予以说明，其中φ0=0，b0=+1，pk和qk为bk经串/并变换后的两路，其中有一路延时一个码元。

表1 MSK信号各参数和ak的关系

综上，由式（7）和表1可以得到MSK信号正交调制的原理框图，如图1所示。通过对输入信息序列ak，依次进行差分编码、串/并变换、两级调制、求差便可得出MSK信号［5-7］。

图1 MSK信号正交调制原理框图

1.2 MSK信号正交调制机理可行性分析

设信息码序列ak={+1，-1，+1，-1}，参考码b1=1，由bk+1=bk×ak，可得差分码序列bk={+1，+1，-1，-1，+1}；进一步，将差分码序列bk串/并转换后，得到周期T=2Ts的并行数据序列pk和qk。pk支路对应bk序列的奇数位，即b2k-1={+1，+1，-1，-1，+1，+1}；qk支路对应bk序列的偶数位且延迟Ts，可通过对qk支路序列前后各补一个周期为Ts的零码片，使qk支路与pk支路序列长度相等，即b2k={0，+1，+1，-1，-1，0}。进而实现了对Q支路序列滞后一个码片周期输出。

设I支路载波信号为cosωct，Q支路载波信号为sinωct；I支路加权函数为即Ikcosωst， Q支路加权函数为即Qksinωst；I支路调制信号为，Q支路调制信号sinωst；将I支路调制信号与Q支路调制信号相减，得到MSK信号。MSK信号正交调制机理可行性分析过程详见图2所示。

2 仿真结果及分析

2.1 仿真参数

由Link16数据链信号的产生机理可知，一跳单脉冲信号的持续时间为13 μs，且在6.4 μs的驻留时间内搭载一个符号，该符号对应5个比特，调制前需要先对5个比特进行软扩频，即用5级M序列生成的32个比特来表示该符号。仿真过程中，以一跳单脉冲数据链信号的有效驻留时间为仿真对象，采用5级移位寄存器生成32位M序列，即每个比特对应200 ns。主要仿真参数见表2所示。

图2 MSK调制机理可行性分析过程

表2 主要仿真参数

2.2 仿真流程

图3 仿真流程图

2.3 仿真结果及分析

采用5级M序列生成的32位码序列为：+1， +1，+1，+1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，-1，-1，+1，-1，-1，-1，-1，-1，+1，-1，+1，-1，+1，+1，+1，-1，+1，+1，-1，-1，-1，+1；设参考位为1，对32位码序列进行差分编码后对应的33位码序列为：+1，+1，+1，+1，+1，-1，+1，+1，+1，-1，-1，+1，-1，-1，+1，-1，+1，-1，+1，+1，-1，-1，+1，+1，+1，+1，-1，-1，-1，+1，-1，+1，+1；串并转换后pk支路对应的34位数据序列为：+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，-1，-1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，-1，-1，+1，+1，+1，+1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，+1，+1；串并转换后qk支路对应的32位数据序列 为 ：+1，+1，+1，+1，-1，-1，+1，+1，-1，-1，+1，+1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，1，+1，-1，-1，+1，+1，+1，+1，-1，-1，+1，+1，+1，+1。仿真结果依次如图4～图7所示。

图4 信息码效果图

图5 差分编码效果图

通过对pk支路数据序列和qk支路数据序列分别进行加权调制和载波调制后，进行相减操作便可得到MSK调制信号。进一步，可借助信号的幅度谱来验证所生成MSK信号的正确性，易知当ak=1时，MSK信号对应的频率为fh=fc+1/（4Ts）；当ak=-1时，MSK信号对应的频率为fh=fc-1/（4Ts），实现过程中为了提高信号的频率分率辨，先对生成的MSK信号进行平方操作再求幅度谱，因此，当ak=1时，对应的信号频率应该为1.05×108Hz，表明实际对应的信号频率为52.5 MHz；当ak=-1时，对应的信号频率应该为1×108Hz，表明实际对应的信号频率为5 MHz。仿真结果依次如图8～图11所示。

图6 I支路数据序列pk

图7 Q支路数据序列qk

图8 pk支路调制信号

图9 qk支路调制信号

图10 MSK调制信号

图11 MSK调制信号幅度谱

3 结束语

本文对数据链中MSK信号的正交调制方法作了深入研究，并对其实现过程进行了可行性分析，最后基于正交调制方法在中频对一跳驻留时间的MSK信号进行了仿真验证。仿真结果表明，该正交调制方法生成的MSK信号不仅符合理论预期，而且便于硬件实现。进一步，通过对数据链MSK信号正交调制方法的研究，可为我军数据链的研制工作提供理论借鉴。

［1］吕娜.数据链理论与系统［M］.北京：电子工业出版社，2011：44-56.

［2］孙继银.战术数据链系统与技术［M］.北京：国防工业出版社，2007：50-62.

［3］樊昌信.通信原理［M］.（第6版）北京：国防工业出版社，2007：390-395.

［4］晃冰，李东生，雍爱霞.最小移频键控系统实现技术的研究［J］.计算机仿真，2003（11）：l48-150.

［5］黄嵩，姚远程.中频数字接收机的MSK调制解调仿真［J］.通信技术，2011，44（1）：1-2.

［6］赵晖，赵旦峰.MSK调制解调器的设计与实现［J］.哈尔滨理工大学学报，2011，16（1）：102-106.

［7］Hu J，Wang K.Carrier Detection Method of Binary-Phase-Shift-Keyed and Direct-Sequence-Spread-Spectrum Signals Based on Duffing Oscillator ［C］//ITS Telecommunications Proceedings 6th International Conference，Chengdu，2006：1338-1341.

Simulation of Mechanism and Application of Quadrature Modulated MSK Signal in Data Link

ZHOU Fan，FEI Shun-chao，FENG Yong-xin
（School of Information Science and Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

Data link has a strong confidentiality and anti-jamming capability，which has an important means to against the enemy effectively in the military strike.On the basis of analysis the quadrature modulation mechanism and feasibility according to MSK signal in-depth，this paper select simulation object through using of effective hopping dwell time of an single pulse data link signals. Simulation results show that the method using of MSK signal based on quadrature modulation modes can generate MSK signal efficiently and accurately.

data link，MSK signal，quadrature modulation，simulation

TP391

A

1002-0640（2015）07-0020-04

2014-06-15

2014-07-07

国家自然科学基金（60802031）；辽宁省创新团队基金资助项目

周 帆（1976- ），男，陕西西安人，副教授。研究方向：数据链技术、扩频通信技术及其应用。